Методы выполнения сварных монтажных соединений

Сварка

Классификация методов выполнения электрических соединений

Качественные характеристики соединений определяются многими факторами, но во всех случаях должны быть обеспечены:

  • Высокая надёжность и долговечность соединения.

· Минимальное омическое сопротивление в зоне контакта и его стабильность при различных климатических воздействиях.

  • Максимально достижимая механическая прочность.

· Минимальное значение основных параметров процесса контактирования (температуры, давления, длительности выдержки и т.д.).

  • Возможность соединения разнообразных сочетаний материалов и типоразмеров.
  • Стойкость к термоциклированию.

· В зоне контакта не должно образовываться материалов вызывающих деградацию соединения.

  • Качество соединения должно контролироваться простыми и надёжными средствами.
  • Экономическая эффективность и производительность процесса.

Основные методы выполнения электрических соединений обеспечиваются на основе:

  • пайки,
  • сварки,
  • соединения, основанные на пластической деформации контактируемых деталей,
  • соединения токопроводящими клеями.

 

Пайка -это процесс соединения металлов в твёрдом состоянии путём введения в зазор расплавленного припоя, взаимодействующего с основным металлом и образующего жидкую металлическую прослойку, кристаллизация которой приводит к образованию паяного шва. Паяные соединения очень широко применяют при монтаже электронной аппаратуры из-за низкого и стабильного электрического сопротивления, универсальности, простоты автоматизации, контроля и ремонта. Однако методу пайки присущи и существенные недостатки: высокая стоимость используемых цветных металлов и флюсов, длительное воздействие высоких температур, коррозионная активность остатков флюсов, выделение вредных веществ.

Сварка – это процесс получения неразъёмного соединения материалов под действием активирующей энергии теплового поля, деформации, ультразвуковых колебаний или их сочетаний. По сравнению с пайкой она характеризуется следующими преимуществами: более высокой механической прочностью получаемых соединений, отсутствием присадочного материала, незначительной дозированной тепловой нагрузкой, возможностью уменьшения расстояния между контактами. К недостаткам метода следует отнести: критичность при выборе сочетаний материалов, увеличение переходного сопротивления из-за образования интерметаллидов, невозможность группового контактирования соединений, сложность ремонта.

Соединения, основанные на пластической деформации контактируемых деталей, проводов или выводов, выполняются в холодном состоянии. Под действием значительных механических усилий, приложенным к этим элементам, происходит разрушение оксидных плёнок и образование надёжного вакуум-плотного соединения. Оно характеризуется высокой механической прочностью, низкой стоимостью, легко поддаётся механизации, не создаёт помех в цепях низкого напряжения.

Соединение токопроводящими клеями и пастами в отличие от пайки и сварки не вызывает изменения структуры соединяемых материалов, так как проводится при низких температурах, упрощает конструкцию соединений и применяется в тех случаях, когда другие способы невозможны: в труднодоступных местах, при ремонтных работах и т.д. Однако широкого распространения в серийном производстве метод не получил из-за невысокой проводимости, низкой термостойкости и надёжности соединений.

Физико-химические основы сварки

Процесс образования сварного соединения можно условно разделить на четыре стадии:

  • образование физического контакта между поверхностями материалов;
  • активизация контактных поверхностей;
  • объёмное развитие взаимодействия;
  • кристаллизация.

На первой стадии сближаются материалы на расстояние порядка 10…100 нм, при котором между частицами начинает проявляться физическое взаимодействие, обусловленное силами Ван-дер-Ваальса.

На второй стадии происходит образование на поверхности более твёрдого из соединяемых материалов центров, активных в химическом отношении. Активный центр упрощённо – это частицы со свободными валентностями, которые могут возникнуть при разрыве связей в кристалле, в местах образования дефектов. Для активизации поверхностей вводится дополнительная энергия: тепловая, деформации, ультразвуковая. При сварке плавлением цепная реакция растекания с выделением энергии поверхностного натяжения увеличивает площадь контакта вокруг каждой точки взаимодействия.

С момента образования на контактных поверхностях активных центров наступает третья стадия, при которой развивается взаимодействие соединяемых металлов как в плоскости так и в объёме зоны контакта. В плоскости контакта оно заканчивается слиянием очагов взаимодействия, что является необходимым условием возникновения прочных химических связей между материалами

Характерной особенностью кристаллизации сварного соединения является образование зональной структуры, состоящей из ядра, переходной зоны и неизменяемой зоны основы. Ядро при сваре плавлением представляет собой закристаллизовавшуюся жидкую фазу, которая может состоять из гомогенных кристаллов, твёрдого раствора замещения или внедрения, интерметаллидов, механической смеси кристаллов и примесей. Структура ядра определяет качество и надёжность соединения.

Сварка: термический, термомеханический, механический виды.

К термическим относятся виды сварки, осуществляемые плавлением под действием различных видов энергии (плазменная, электроннолучевая, лазерная сварка)

1.Электроннолучевая сварка основана на использовании теплоты, выделяемой при соударении электронов и атомов свариваемого металла, диаметр пятна нагрева 1мкм. Для охвата больших поверхностей используется сканирование лучем либо позиционирование деталей. Преимущества: высокая производительность и время сварки 5мс, место сварки не нагревается. Недостатки – высокая стоимость оборудования

2. Лазерная основана на использовании монохромного когерентного светового луча с высокой плотностью энергии, превращение которой в теплоту вызывает оплавление свариваемых материалов. Диаметр пятна 0,01мм. Недостаток: сложность юстировки оптической системы.

Виды сварки, использующие тепловую энергию и давление (диффузионная и термокомпрессионная).

1. Термокомпрессионная сварка – это сварка, которая проводится при невысоких давлениях с подогревом соединяемых деталей. Достоинства: стабильность сварочного инструмента и его высокая стойкость, малая чувствительность к изменению режима, простота контроля основных параметров процесса. Недостатки: ограниченное число сочетаний свариваемых материалов (только пластичные), необходимость весьма тщательной подготовки соединяемых деталей.

При приложении температуры и давления в момент осадки в результате течения пластичного металла вдоль поверхности другого металла происходит очистка места соединения от оксидных плёнок, сближение поверхностей и образование между ними плотного контакта. После сварки за счёт развития процесса диффузии между свариваемыми материалами полученное соединение упрочняется.

Основными параметрами режима термокомпрессии являются: усилие сжатия Р, температура нагрева инструмента или соединения Т, длительность выдержки под давлением t. Температура нагрева не должна превышать температуру образования эвтектики соединяемых материалов и колеблется для различных материалов от 250 до 450оС. Длительность выдержки устанавливается в зависимости от сочетания свариваемых материалов и определяется экспериментально путём оценки прочности соединения.

2.Диффузионная сварка применяется для сварки разнородных материалов, основана на диффузии материалов под действием давления и температуры. Производится в вакууме.

Сварка давлением с косвенным нагревом в отличие от термокомпрессии проводится инструментом, который импульсно нагревается проходящим по нему током. В следствии кратковременности процесса нагрева металлический проводник в месте контакта нагревается до более высоких температур, чем при термокомпрессии. Это позволяет приваривать проводники из относительно малопластичных металлов к тонким плёнкам на керамических подложках. Высокая точность поддержания температуры и малая инерционность обеспечиваются при нагреве инструмента током с частотой следования импульсов 0,5…1,5 кГц.

Механическая сварка использует механическую энергию и давление.

1. Холодная. Прикладывается давление к свариваемым материалам и они совместно пластически деформируются, при этом происходит сближение свариваемых поверхностей на расстояние действия межатомных сил.

2. Ультразвуковая сварка выполняется за счёт возбуждения в свариваемых деталях упругих колебаний УЗ-частоты при одновременном создании определённого давления. Для УЗ-микросварки используют оборудование с частотами 22, 44, 66, 88 кГц. При УЗ-сварке температура нагрева непосредственно в зоне контакта не превышает 30…50% от температуры плавления соединяемых материалов, что позволяет использовать этот метод для соединения чувствительных к нагреву материалов.

Свариваемые материалы предварительно сжимаются с силой. В зону контакта с помощью волновода вводится ультразвуковые колебания с частотой от 15 до 170 кГц, которые разрушают оксидную пленку. Происходит атомарный обмен в поверхностном слое под действием колебательного движения.

Основным элементом установок УЗ-сварки является инструмент, форма и размер рабочей части которого имеют важное значение для получения качественных соединений.

Сварка расщеплённым (сдвоенным) электродом применяется в технологии электрического монтажа. Сварку осуществляют инструментом-электродом, изготовленным из вольфрама или молибдена в виде двух токопроводящих частей, разделённых зазором 0,02…0,25 мм в зависимости от толщины или диаметра привариваемых выводов. Зазор между электродами оказывает значительное влияние на глубину проникновения тока и на термическую нагрузку печатного проводника в месте соединения с диэлектриком.

Сварку проводят одним или несколькими импульсами конденсаторного разряда с регулировкой длительности, мощности и интервалов между импульсами. Усилие прижима электродов при сварке (0,2…1,5 Н) создаётся в момент нагрева до максимальной температуры и снимается по окончания действия импульса тока.

Качество сварки сдвоенным электродом определяется сочетанием температур плавления соединяемых металлов, соотношением размеров выводов и толщины печатных проводников, термостойкостью платы. Медные печатные проводники в следствии высокой тепло- и электропроводности плохо свариваются, поэтому их предварительно покрывают электролитическим способом слоем никели или золота. Недостатками рассмотренного метода являются необходимость никелирования плат и золочение выводов ИС, точное позицирование выводов, трудность группового контактирования, более высокая стоимость по сравнения с пайкой.